单位文秘网 2021-09-01 08:59:21 点击: 次
摘要:混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。
关键词:混凝土保护层;细观;钢筋非均匀锈蚀;锈蚀率;数值模拟
中图分类号:TU528; TV431
文献标志码:A
文章编号:16744764(2015)01007308
钢筋混凝土结构的耐久性失效主要表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏[1]。在侵蚀性环境中,侵蚀介质会透过保护层到达钢筋表面并累积起来,当侵蚀介质的数量达到临界值时,会引起钢筋锈蚀。锈蚀产物的体积是所消耗的铁的体积的2~4倍,达到一定数量后会对钢筋周围的混凝土产生挤压,引发混凝土保护层开裂。而保护层一旦开裂,会加速有害介质的侵入,从而加速混凝土保护层的锈裂过程,严重影响混凝土结构的耐久性,因此对钢筋锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行研究具有重要的工程实际意义。杜修力,等:钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究
对于钢筋锈蚀引起的结构破坏问题,研究者做了大量卓有成效的工作,主要包括试验研究、理论解析和数值模拟3个方面。试验研究方面,多采用通恒定直流电的方法加速混凝土内部钢筋锈蚀[23]或者采用机械扩胀方法模拟钢筋的锈胀效应[45],其试验方法的理论依据均来自于钢筋表面均匀锈蚀分布的基本假定。然而,实际结构中钢筋往往是近保护层一侧锈蚀严重而远侧锈蚀较轻甚至不锈。因此,徐港等[6]、姬永生等[7]设计了新的钢筋加速锈蚀试验方案,研究了钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层胀裂问题,结果表明,锈后试件的钢筋表面呈现明显坑蚀特点;且混凝土强度、钢筋直径及保护层厚度等会影响保护层开裂时的钢筋锈蚀率。理论解析方面,Bazant[8]建立了静力平衡理论模型;Liu等[9]、Bhargava等[10]、Zhao等[11]建立了弹性理论模型,Uddin等[12]、王海龙等[13]则基于断裂力学建立了计算模型,这些模型对混凝土中钢筋的均匀锈胀进行了较好的分析。数值模拟方面,Hansen等[14]、Val等[15]、Guzmán等[16]、Ozbolt等[17]建立了有限元模型;Tran等[18]则建立了刚体弹簧元模型(Rigid Body Spring Model);avija等[19]发展了二维格构模型,Sanz等[20]提出了膨胀连接单元(Expansive Joint Element)来模拟锈层的膨胀,这些模型较好地模拟了钢筋锈胀引发的混凝土保护层的开裂过程,并探讨了保护层厚度、钢筋直径、相对保护层厚度、混凝土强度等参数的影响。上述研究工作促进了对钢筋锈胀引发的混凝土结构破坏这一问题的认识,但是,绝大多数研究者均假定混凝土为连续均匀介质,未考虑混凝土的非均质性[19]。鉴于此,Du等[21]从细观角度出发,建立了混凝土随机骨料模型,对钢筋均匀锈胀引发的非均质混凝土保护层的开裂进行了数值研究。而试验研究发现,实际结构中钢筋的锈蚀大多是非均匀的[22],因此本文将对钢筋非均匀锈胀情形下混凝土保护层开裂行为进行研究探讨。
本文依然从细观角度出发,考虑混凝土细观结构非均质性对保护层开裂行为的影响,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立混凝土随机骨料模型,以施加非均匀位移的方式来模拟钢筋的非均匀锈胀行为,假定骨料的力学行为为弹性,采用ABAQUS软件自带的塑性损伤模型(Damaged Plasticity Model)来描述砂浆和界面过渡区的力学特性,在此基础上模拟中部钢筋非锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为,并对比均匀锈蚀和非均匀锈蚀下均质模型和非均质模型混凝土的破坏形式,探讨分析保护层厚度、钢筋直径等参数对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及开裂时钢筋锈蚀率的影响。
1模型建立
11锈胀机理
文献[23]研究表明,对于中部钢筋(仅在一个方向上与试件表面距离较近),钢筋锈蚀层在钢筋表面的分布特征呈半椭圆形,即钢筋锈蚀主要集中在靠近混凝土保护层一侧的半个圆周面,拟合曲线大致呈半椭圆形,而另半圆周面基本未有锈蚀作用(如图1)。
钢筋非均匀锈胀引发的混凝土保护层的开裂分为3个阶段[9]:铁锈自由膨胀阶段、混凝土保护层受拉应力阶段和混凝土保护层开裂阶段。
图1钢筋锈胀非均匀作用轮廓线模型
Fig.1Contour line model of rebar of nonuniform corrosion
在铁锈自由膨胀阶段,钢筋锈蚀以后,其产生的铁锈,首先填入了钢筋与混凝土交界面的毛细孔中,在铁锈填满毛细孔之前,不会对外围混凝土作产生钢筋锈胀力。本文的有限元模拟针对中部钢筋锈蚀引发的混凝土保护层受拉应力阶段和开裂阶段,在模拟中采用如图1所示的钢筋锈蚀层轮廓曲线模型,钢筋的锈胀位移计算模式如式(1)。
uθ=R+u1·R+u2R+u12cos2θ+R+u22sin2θ-R0≤θ≤π
u2π≤θ≤2π(1)
式中:R为钢筋的初始半径;uθ为对应极角为θ时的锈层位移;u1为钢筋表面距离混凝土保护层最近一点的锈层位移,即为锈层的最大位移,u2为钢筋远离保护层一侧的锈层位移,一般取u1=20~30u2[23],本文取u1=30u2。
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